冻土稳定积雪覆盖下季节性冻土水分特点与其数值模拟

摘要：为了深入研究积雪覆盖边界条件下的土壤水分迁移规律，通过冬季野外土壤水分观测试验，利用土壤水动力学理论，建立了稳定积雪覆盖条件下季节性冻土水分迁移模型。研究结果表明，积雪覆盖土壤比裸地平均地温高出1 ℃，土壤体积含水率（土壤剖面0～100 cm内）高出2%，体现了积雪覆盖不仅能够阻碍土壤热量散失，而且能保持土壤墒情；建立的水分迁移模型能够精准的模拟积雪覆盖条件下冻结土壤水分迁移动态，其相对平均误差仅为3.51%。研究结果对于丰富和完善冻土水分迁移理论，解决春旱和冬小麦“冷拔”等问题具有重要的理论和实践意义。
关键词：积雪覆盖；水分迁移；季节性冻土；有限差分法
1672-1683（2013）01-0151-04
我国有54%的国土面积位于季节性冻土地区，其中东北、西北和西南等地区在冬季普遍存在季节性冻土表面覆盖一层积雪的现象。积雪改变了土壤与大气之间的水热传递规律，导致积雪覆盖条件下土壤的水热状况也发生了改变，进而影响“冬小麦”的生长发育和来年春季的土壤墒情。因此，国内外学者对该问题进行了大量研究。Philip和DeVries[3]提出了水热耦合迁移理论；Kane[4]使用了一个伴随相变的二维热传导模型来说明气候变暖对活动层温度和融化深度的影响；雷志栋[5]等模拟了冻结条件下土的水热耦合迁移规律及对潜水蒸发的影响；康绍忠[6]对于作物覆盖条件下田间水热运移的模拟研究；任理[7]对条带覆盖下土壤水热耦合状况进行了研究。上述学者虽然取得了一些突出的研究成果，但由于地域限制，无法充分考虑积雪对于土壤水分状况的影响，特别是高寒地区“冬小麦”冬季生长发育期间的水热状况。
为此，本文以哈尔滨为例，通过不同积雪覆盖下的冬季冻结土壤大田试验，采用土壤水动力学理论分析了稳定积雪覆盖对土壤水分迁移状况的影响。研究成果对于揭示稳定积雪覆盖下的水分迁移规律，指导农业生产实践具有重要理论和实践意义。
1材料与方法
试验于2008年10月至2009年6月在黑龙江省水利科学研究院哈尔滨综合试验站进行，试验仪器采用中子仪和时域反射仪（TDR）分别观测季节性冻土总含水量与液态含水量，采用H8多点土壤温度测定系统测定土壤剖面温度，其中：中子测管10根、TDR测管10根，观测深度为20 cm、40 cm、80 cm、100 cm、140 cm、180 cm、220 cm、260 cm。为了避免中子管相互影响，根据中子仪和时域反射仪的原理[8-9]，确定相邻两根中子管距离为200 cm；为了保证中子管和TDR管测量的数据为同一剖面上的同一测点，确定中子管和TDR管间距为60 cm。本试验分为两个小区：1号-5号测管为1区，自然积雪覆盖；6号-10号

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测管为2区，开放式挡雨棚挡雪区。具体方案布置见图1。